深空通信文件可靠傳輸技術(shù)研究.pdf

1、深空探測作為空間科學(xué)技術(shù)的重要組成部分,具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義,深空通信系統(tǒng)的正常運行是深空探測任務(wù)成功的重要保證之一。深空探測范圍增大、通信傳輸距離趨近極限,最直接的影響是信號能量損耗以及傳播時延的大大增加,同時對信道糾錯編碼、長距離傳輸協(xié)議以及前向糾刪編碼技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。隨著深空探測目標(biāo)從月球轉(zhuǎn)向更遠(yuǎn)的火星以及太陽系其他行星時,巨大的通信距離導(dǎo)致信號能量衰減進(jìn)一步加劇,傳輸中的誤碼超出信道編碼的糾錯能力且深空鏈路具有易中斷性

2、,使得逼近香農(nóng)極限的信道編碼無法保證信息的可靠傳輸,造成接收端丟包率很大。而巨大的通信傳播時延使得反饋重傳方式效率很低。因此,深空通信的文件可靠傳輸需要從解決分組丟失的長傳播時延文件傳輸協(xié)議設(shè)計和前向糾刪編碼技術(shù)兩方面進(jìn)行深入研究。
　　本文重點研究深空探測遠(yuǎn)距離通信可靠性編碼和長距離傳輸協(xié)議,以保障深空弱鏈路的端到端可靠文件傳輸,具體從以下幾個方面研究:
　　第一,適合深空通信的噴泉前向糾刪編碼技術(shù)研究。數(shù)字噴泉將帶有檢錯

3、機(jī)制的分組交換信道等效為刪除信道,將傳統(tǒng)糾刪編碼的處理對象拓展到了數(shù)據(jù)分組,形成了一種高效可靠的前向糾刪機(jī)制。但是噴泉碼是根據(jù)地面無線網(wǎng)的廣播和組播協(xié)議設(shè)計的,其原有的編譯碼算法使得接收端需要較大的碼長或者增加編碼冗余以保證較穩(wěn)定的譯碼恢復(fù)概率,不適合深空探測器硬件設(shè)備受限以及功率嚴(yán)格預(yù)分配的限制。因此,首先針對編碼生成矩陣的二部圖設(shè)計了限制連接邊隨機(jī)關(guān)系的短碼長DSCA算法,有效提高短碼長噴泉碼的可譯碼概率,將譯碼所需的編碼冗余降低到

4、理想情況。然后針對噴泉碼原有BP譯碼算法效率不高的問題,對BP譯碼失敗的停止集剩余信息設(shè)計了SSGE譯碼算法,獲得接近 GE譯碼的性能。編譯碼優(yōu)化算法的設(shè)計解決了噴泉碼原有算法應(yīng)用在深空環(huán)境中碼長太大和譯碼效率不高的缺陷。
　　第二,設(shè)計了面向深空信道的級聯(lián)噴泉碼。深空信道自由空間段可視為功率受限而帶寬豐裕信道,信道頻帶資源相對充足,構(gòu)造符合深空通信特點、編碼增益高的前向糾刪編碼是深空通信目前的熱點問題?；贑CSDS提出的QC-

5、LDPC信道編碼方案,通過編碼冗余開銷與譯碼復(fù)雜度的折衷,設(shè)計了一種適合深空通信的級聯(lián)噴泉糾刪編碼方案。將DSCA與SSGE編譯碼算法聯(lián)合優(yōu)化使得噴泉級聯(lián)碼的譯碼性能接近最大似然譯碼,通過增加少量冗余噴泉分組,使譯碼端在深空信道 LDPC編碼分組出錯時,能利用正確接收到比原文件稍多的數(shù)據(jù)包恢復(fù)出原始文件。級聯(lián)碼具有的能夠以任意概率逼近香農(nóng)極限的特點,有利于降低接收系統(tǒng)對于信噪比的要求,提高通信資源的利用率,為深空探測的下行珍貴科學(xué)數(shù)據(jù)提

6、供可靠的前向糾刪能力。
　　第三,丟包重傳的文件傳輸協(xié)議研究。傳統(tǒng)的地面通信TCP/IP協(xié)議不適合通信距離遠(yuǎn)而導(dǎo)致的傳播時延巨大而且變化范圍很大的深空探測環(huán)境。深空通信和空間任務(wù)相關(guān)協(xié)議的研究目前主要是圍 CCSDS提出的標(biāo)準(zhǔn)化建議展開。首先分析了CCSDS標(biāo)準(zhǔn)化建議提出的CFDP協(xié)議,根據(jù)空間任務(wù)需要和傳輸文件類型的不同,對CFDP四種確認(rèn)傳輸模式的性能進(jìn)行了分析比較。對CFDP的觸發(fā)NAK型和異步NAK型傳輸模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模

7、分析,考慮深空通信功率預(yù)分配和設(shè)備受限的情況,并根據(jù)CFDP協(xié)議的指標(biāo),提出了新的重傳觸發(fā)策略,并設(shè)定 ARQ計時器的最優(yōu)等待時間。在嚴(yán)格保證深空通信吞吐量有效性的條件下,推算了延時提示觸發(fā) NAK型和延時異步 NAK型傳輸模型在空間通信的文件傳輸時延期望,仿真驗證了本文算法能夠降低文件傳輸時延,分析了影響深空通信中利用CFDP協(xié)議傳輸文件數(shù)據(jù)延時的因素,包括誤碼率、傳輸速率、協(xié)議數(shù)據(jù)單元的大小和數(shù)量,外部觸發(fā)事件的個數(shù),為CFDP協(xié)議

8、在深空通信中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考。
　　第四,深空通信的分組交織文件傳輸協(xié)議設(shè)計。深空信道的誤碼率通常在10-7至10-4之間,誤碼率大引起頻繁丟包,而超遠(yuǎn)距離通信亟需文件傳輸協(xié)議提供前向糾刪技術(shù)以盡量減少重傳從而降低傳播時延在文件傳輸過程中的開銷。引入噴泉編碼技術(shù)在CCSDS文件傳輸協(xié)議非確認(rèn)傳輸模式基礎(chǔ)上設(shè)計了一種針對深空環(huán)境長時延、丟包率大和鏈路易中斷等特點的數(shù)據(jù)包交織文件傳輸協(xié)議,并根據(jù)深空通信文件傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需要設(shè)計了兩

9、種不同的度分布,對于原文件 PDU分組為103數(shù)量級時,引入一個與信道丟包率和文件PDU數(shù)量相關(guān)的優(yōu)化初始值以保證解交織算法的開始速度,然后迭代計算一個能使譯碼持續(xù)進(jìn)行的常量,通過增加交織的深度設(shè)計 CISD分布,重點保證譯碼的平穩(wěn)持續(xù)進(jìn)行;對于原文件 PDU數(shù)量級達(dá)到104時,設(shè)計了與信道丟包率和文件PDU數(shù)量相關(guān)的優(yōu)化參數(shù),并對RSD的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,設(shè)計了WRSD分布,使交織運算具有線性復(fù)雜度,在降低復(fù)雜度的同時保證盡可能快的恢